礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)進展及應(yīng)用

朱衛(wèi)兵， 王曉振， 謝建林， 趙波智， 寧杉， 許家林

（1. 中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭精細(xì)勘探與智能開發(fā)全國重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤炭生產(chǎn)規(guī)?；?、集約化模式日趨明顯。截至2022年，原煤總產(chǎn)量達45.6億t，年產(chǎn)千萬噸級的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井達79座，全國煤礦平均單井（礦）產(chǎn)能提高到120萬t/a以上[1]。同時，超大采高綜采技術(shù)與裝備持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，2018年3月，國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司上灣煤礦8.8 m超大采高綜采技術(shù)與裝備成功應(yīng)用[2]，刷新了世界大采高綜采工作面采高、產(chǎn)量與工效的三重記錄。然而，高強度特厚煤層“大空間-強采動”的開采特點給采場礦壓控制及災(zāi)害防控帶來了新的挑戰(zhàn)[3-5]。礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測作為揭示巖層運動規(guī)律的有效手段，可以實時監(jiān)測煤礦工作面覆巖變形及運動，及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)害孕育期的先兆特征，并進行強礦壓災(zāi)害超前預(yù)警，保障煤炭資源安全開采[6]。

長期以來，由于煤礦開采的特殊性和采場礦山壓力顯現(xiàn)的復(fù)雜性，難以采用經(jīng)典力學(xué)和數(shù)學(xué)方法直接揭示采動巖層運動規(guī)律[7]，所以其最初被視為“黑箱”問題[8-9]。研究人員主要依靠地表沉陷監(jiān)測、數(shù)值模擬和相似物理模擬等手段探究覆巖結(jié)構(gòu)特征及運動規(guī)律。但這些手段難以真實反映煤礦的復(fù)雜地質(zhì)條件[10]，僅在一定程度上體現(xiàn)覆巖運移部分規(guī)律，對煤層開采過程中不同層位覆巖運動特點尚缺乏全面認(rèn)識。砌體梁結(jié)構(gòu)模型與關(guān)鍵層理論的提出揭開了巖層運動過程的神秘面紗，建立了采場礦壓、巖層運動和地表沉陷三者之間的定量關(guān)系[7]，提供了覆巖運移數(shù)據(jù)的解讀方法。

礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開始在我國逐漸發(fā)展起來的一種直接觀測技術(shù)[11]。通過在覆巖內(nèi)部布置監(jiān)測點對采場上覆巖層的移動變形進行直接監(jiān)測，實現(xiàn)巖層運動全程的可視化，為采動巖層穩(wěn)定性評估、礦山災(zāi)害預(yù)警和礦區(qū)環(huán)境保護提供關(guān)鍵信息。該技術(shù)遵循巖層運動一體化監(jiān)測原則，以全柱狀思想為基礎(chǔ)，建立了采動巖層內(nèi)部移動與地表沉陷相協(xié)同的多維實時監(jiān)測體系。該技術(shù)已成功應(yīng)用于神東、大同[12-14]、彬長[15]、寧東[16]、平朔[17]等礦區(qū)，為研究工作面全生命周期覆巖運動特征奠定了重要基礎(chǔ)。

經(jīng)過近60 a的發(fā)展，礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)在監(jiān)測精度、實時性、持續(xù)性及多維協(xié)同監(jiān)測方面取得了顯著進展。采用高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將巖層移動的監(jiān)測精度提高到0.01 mm[6]，為采動巖層穩(wěn)定性評估和礦山災(zāi)害預(yù)警提供更為精確的數(shù)據(jù)。采用無線通信技術(shù)[18]，對礦山開采過程中的巖層移動和變形進行實時跟蹤，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。采用太陽能發(fā)電技術(shù)[15]，實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備長期連續(xù)運行，可以更全面地了解巖層移動的全過程及其影響規(guī)律。采用多維實時協(xié)同監(jiān)測體系[6,19]，能夠更全面地掌握巖層內(nèi)部移動與地表沉陷之間的相互聯(lián)系，為礦山開采過程中的環(huán)境保護提供有力支持。

本文從煤炭生產(chǎn)及發(fā)展背景出發(fā)，分析了煤炭生產(chǎn)規(guī)?；?、集約化趨勢下，采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程、研究進展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望了發(fā)展前景，旨在為礦山工程領(lǐng)域的研究者提供參考，為煤炭工業(yè)的安全生產(chǎn)做出貢獻。

1 我國覆巖移動理論及監(jiān)測技術(shù)發(fā)展歷程

煤礦覆巖移動與礦山壓力顯現(xiàn)、地表沉陷、裂隙發(fā)育與流體遷移及地表沉陷直接相關(guān)[19-21]，國內(nèi)外諸多科研團隊及專家學(xué)者開展了大量卓有成效的研究。特別是在1981年砌體梁結(jié)構(gòu)模型及1996年關(guān)鍵層理論提出后，巖層移動與控制相關(guān)成果大幅增加，配套的巖層移動監(jiān)測技術(shù)也不斷推陳出新。

目前覆巖移動相關(guān)研究可分為理論計算、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實測。其中應(yīng)用于現(xiàn)場的方法有直接探測法、覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測及光纖感測法。與其他方法相比，覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)具有實時監(jiān)測覆巖移動和變形、多層位動態(tài)自動監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、地形適應(yīng)性強等優(yōu)勢。

我國煤礦覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代。最早在陽泉一礦70310工作面進行應(yīng)用，盡管在初步對比觀測與后期分析中取得了一定的成果，但由于對巖層移動認(rèn)識深度不足，未能揭示覆巖運動與地表沉陷的關(guān)系[11,22]。直到20世紀(jì)80年代，礦壓技術(shù)理論的發(fā)展，特別是砌體梁理論的提出，為采動覆巖移動數(shù)據(jù)的解讀提供了理論基礎(chǔ)[23]。錢鳴高院士于1982年通過上海大屯能源股份有限公司孔莊礦實際監(jiān)測，建立了巖層動態(tài)下沉的負(fù)指數(shù)擬合曲線方程，揭示了采動影響下不同層位巖層的位移特征[24-25]。

隨著20世紀(jì)80年代分布式光纖測試技術(shù)，特別是基于受激布里淵散射的分布式光纖傳感測試技術(shù)的成熟[10,26]，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用光纖感測技術(shù)開展了大量的煤層開采模型試驗研究，取得了一系列關(guān)于覆巖變形破壞規(guī)律的新認(rèn)識[26-29]。但由于上覆巖層大范圍變形移動，巖層與光纖之間的運動關(guān)聯(lián)特征及耦合關(guān)系復(fù)雜，通過應(yīng)變反演計算所得的巖層移動范圍存在較大誤差[26-27]，在采動覆巖變形監(jiān)測應(yīng)用中，暫未形成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)[30]。

隨著20世紀(jì)90年代砌體梁結(jié)構(gòu)模型與關(guān)鍵層理論不斷發(fā)展完善，對采動覆巖移動的認(rèn)識更為清晰[31-32]，將監(jiān)測范圍縮小到關(guān)鍵層。通過在關(guān)鍵層或厚硬巖層位置布設(shè)有限的巖移測點，開展了覆巖隨煤層開采的運移規(guī)律研究，為采礦工程相關(guān)基礎(chǔ)理論問題研究提供了數(shù)據(jù)支撐[33-34]。

進入21世紀(jì)后，研究人員對地表沉陷、采場覆巖移動、采場圍巖及采空區(qū)應(yīng)力內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識更加深刻，提出全柱狀思想[6,21,35]。在研究開采引起的諸如地表塌陷、突水、礦壓顯現(xiàn)等問題時，分析從煤層到地表的全部巖層的運動規(guī)律及其作用，并從中找出起控制作用的關(guān)鍵層，據(jù)此提出針對性的巖層控制方法?；谶@一思想，在以往觀測采場覆巖位移方法的基礎(chǔ)上，發(fā)展出采動覆巖內(nèi)部移動與地表沉陷相協(xié)同的多維實時監(jiān)測體系，為井下工作面與地表損害預(yù)測提供了更加有效的方法[12,15-16]。

2 礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)進展

進入21世紀(jì)后，西部煤炭資源成為我國開采的重點，以神東礦區(qū)為代表的高強度開采礦井群陸續(xù)建立，如何精確高效地對地表沉陷及內(nèi)部巖移進行監(jiān)測成為需要解決的問題。同時，我國煤炭開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移，面臨的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，需要監(jiān)測的區(qū)域范圍迅速擴大。為此，國內(nèi)學(xué)者將無線通信、太陽能發(fā)電及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)中，在多維實時協(xié)同監(jiān)測、無人在線監(jiān)測和深部巖移監(jiān)測等方面取得了較大的突破。

2.1 多維實時協(xié)同監(jiān)測技術(shù)

覆巖內(nèi)部巖移多維實時協(xié)同監(jiān)測體系基于巖層移動的全柱狀思想，遵循巖層運動一體化監(jiān)測原則。該體系由覆巖內(nèi)部巖移監(jiān)測系統(tǒng)、沉陷實時監(jiān)測系統(tǒng)、采場礦壓監(jiān)測系統(tǒng)和采空區(qū)壓力監(jiān)測系統(tǒng)四大子系統(tǒng)組成（圖1），通過對比分析礦山采動覆巖內(nèi)部巖移數(shù)據(jù)與地表沉陷、采場礦壓及采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)，探究多維數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)特征，剖析數(shù)據(jù)背后的巖層運動規(guī)律。

圖1 覆巖內(nèi)部巖移多維實時協(xié)同監(jiān)測體系組成Fig. 1 Composition of the multidimensional real-time cooperative monitoring system for overburden movement in mining

覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測系統(tǒng)要求在鉆孔中放置帶有多點引伸計的監(jiān)測單元[6,36]。每個監(jiān)測單元由錨固裝置、傳輸線纜和引伸計組成。錨固裝置將與它們所錨定的地層同步運動。傳輸線纜將測量點與地面之間的相對運動數(shù)據(jù)傳輸?shù)姐@孔開口處的監(jiān)測設(shè)備。

沉陷實時監(jiān)測系統(tǒng)主要通過使用地表沉陷監(jiān)測設(shè)備[6,19]，如GPS接收器或其他高精度地表位移測量設(shè)備，來實時監(jiān)測地表沉降規(guī)律。通過與覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，更全面地了解采礦活動對地表沉陷的影響。

采場礦壓監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在礦山液壓支架、支柱等關(guān)鍵位置的壓力傳感器來檢測礦壓變化[12]。這些傳感器可實時監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)，為礦山安全提供關(guān)鍵信息。同時，通過將礦壓數(shù)據(jù)與覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，可以揭示采場來壓與巖層運動之間的關(guān)系。

采空區(qū)壓力監(jiān)測系統(tǒng)主要通過埋設(shè)在采空區(qū)內(nèi)部的壓力傳感器來測量采空區(qū)壓力變化[37]，掌握采空區(qū)壓力分布與巖層移動和地表沉陷的時空聯(lián)系。

通過采動巖層內(nèi)部移動與地表沉陷一體化布置的多維實時協(xié)同監(jiān)測體系，可以更全面、準(zhǔn)確地了解礦山開采對覆巖運動的影響，有助于及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為礦山安全防范提供科學(xué)依據(jù)。同時，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以更精準(zhǔn)地確定關(guān)鍵層位置，避免由于參數(shù)取值差異導(dǎo)致的關(guān)鍵層判別誤差，為制定有效的巖層控制方法提供依據(jù)。這種綜合性監(jiān)測技術(shù)對于礦山安全生產(chǎn)具有重要意義，并將在未來礦山開采中發(fā)揮越來越重要的作用。

2.2 無人在線監(jiān)測技術(shù)

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無人在線監(jiān)測技術(shù)日趨成熟。無人在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用可以提高監(jiān)測作業(yè)的效率和精度。傳統(tǒng)的巖移監(jiān)測技術(shù)主要采用人力進行觀測，按照一定的時間間隔對數(shù)據(jù)進行記錄。由于觀測時間間隔過長，難以準(zhǔn)確捕捉到巖層斷裂等重要信息。

將無人在線監(jiān)測技術(shù)與覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，可提高監(jiān)測效率和精度，為礦山安全生產(chǎn)提供更有力的保障[38-39]。無人在線監(jiān)測技術(shù)在覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對巖層移動、地表沉陷等現(xiàn)象的實時監(jiān)測，幫助煤礦工作人員快速分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常情況后進行災(zāi)害預(yù)警，為制定安全措施和組織人員撤離提供科學(xué)依據(jù)[40-41]。

在具體實施過程中，通過將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)云平臺及太陽能發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對巖層移動數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和分析。太陽能電池的應(yīng)用可以確保監(jiān)測設(shè)備持續(xù)運行，降低運行成本，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺及太陽能發(fā)電技術(shù)的實時監(jiān)測系統(tǒng)[19]具有較低的維護成本和較高的可靠性。礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)在不斷優(yōu)化，目前監(jiān)測間隔縮短至1 s，分辨率達到0.01 mm。在平朔礦區(qū)元寶灣煤礦的實際應(yīng)用中[18]，成功實現(xiàn)了對巖層破斷前回彈運動現(xiàn)象的精確捕捉，為礦山安全提供了有力保障。

2.3 深部巖移監(jiān)測技術(shù)

煤礦深部巖移監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展對于礦山安全生產(chǎn)和資源有效利用具有重要意義。隨著煤炭資源開發(fā)進入深部，煤礦地下工程面臨著越來越復(fù)雜的地質(zhì)條件和安全挑戰(zhàn)[42]。

1） 在開采深度逐漸增大的情況下，需監(jiān)測的巖層數(shù)量隨之增加，深部高應(yīng)力導(dǎo)致大范圍巖體變形和破裂的風(fēng)險上升，這對監(jiān)測技術(shù)的準(zhǔn)確性和覆蓋范圍提出了更高的要求。

2） 深部地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，監(jiān)測鉆孔的長度、彎曲程度及孔壁裂隙等因素都可能對監(jiān)測錨點的下放產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致錨點下放到某一深度無法繼續(xù)下放等問題。此外，深部巖層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和不確定性也使得巖移規(guī)律研究變得更加棘手。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究人員將監(jiān)測用傳輸線纜改為高強度鎧裝電纜，使其具有更高的強度[15]。此外，為了掌握巖層的精確變形數(shù)據(jù)，結(jié)合分布式光纖線來監(jiān)測巖層變形[15]。將分布式光纖線與覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測系統(tǒng)布置在同一鉆孔中，并用灌漿料粘合，以確保光纖線與巖層結(jié)合。通過分析光纖線應(yīng)變數(shù)據(jù)來修正地層移動和變形。

這些技術(shù)創(chuàng)新和改進已經(jīng)取得了顯著成果（圖2）。在陜西彬長礦區(qū)高家堡煤礦的應(yīng)用中，最大監(jiān)測巖層深度達到930 m，已達到千米深度煤層監(jiān)測能力。這些技術(shù)上的重大突破為深部復(fù)雜地質(zhì)賦存條件下的覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖2 礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測深度發(fā)展歷程Fig. 2 Development history of in-situ monitoring depth of overburden movement in mining

3 工程應(yīng)用案例

3.1 淺埋高強度開采地表沉陷及覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測

神東礦區(qū)是中國最大的煤炭生產(chǎn)基地之一，位于陜西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處。該區(qū)域探明儲量達2 236億t，地表覆蓋現(xiàn)代風(fēng)積沙及第四系黃土，煤層為中下侏羅統(tǒng)延安組，煤質(zhì)優(yōu)良，埋藏淺，傾角小，賦存穩(wěn)定。國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司是該區(qū)域最大的煤炭生產(chǎn)企業(yè)，在生產(chǎn)過程中遇到了一系列采動損害問題，如異常壓架和冒頂事故、工作面涌水潰沙事故和地面塌陷等。

為了解決上述問題，在補連塔煤礦31401綜采工作面開展了內(nèi)部巖移鉆孔觀測工作（圖3），旨在掌握淺埋煤層地表沉陷特征，揭示關(guān)鍵層運動對地表沉降的影響規(guī)律[36]，為制定礦井安全生產(chǎn)保障措施提供指導(dǎo)。

圖3 補連塔煤礦測點布置及巖移監(jiān)測結(jié)果Fig. 3 The arrangement of measurement points and overburden movement monitoring results of Bulianta Coal Mine

此次試驗采用覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)，同時進行地表沉陷觀測及內(nèi)部巖移監(jiān)測，研究淺埋煤層開采關(guān)鍵層運動對地表沉陷的影響。觀測結(jié)果表明，覆巖主關(guān)鍵層對地表沉陷的動態(tài)下沉過程起控制作用，地表下沉速度隨主關(guān)鍵層周期性破斷而呈周期性的跳躍性變化。

這一研究成果有效指導(dǎo)了神東礦區(qū)淺埋煤層頂板控制，降低了采動損害對礦區(qū)安全生產(chǎn)的影響。同時，研究成果為其他礦山在類似條件下開展淺埋煤層開采提供了寶貴經(jīng)驗和借鑒，有助于提高煤炭行業(yè)整體的安全生產(chǎn)水平。

3.2 采場礦壓、覆巖內(nèi)部巖移、地表沉陷“三位一體”原位監(jiān)測

晉能控股集團同忻煤礦主采石炭系特厚煤層，在開采過程中頻繁出現(xiàn)強礦壓問題，嚴(yán)重影響礦井安全高效生產(chǎn)。針對同忻煤礦地質(zhì)賦存條件，基于全柱狀思想，提出采場礦壓、覆巖內(nèi)部巖移、地表沉陷“三位一體”原位監(jiān)測方法，綜合運用GPS測量系統(tǒng)、地面鉆孔多點位移監(jiān)測系統(tǒng)及采場支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)，形成了從地面到采場的三維空間立體監(jiān)測手段。

基于同忻煤礦8203工作面巖層移動與鉆孔變形連續(xù)觀測結(jié)果（圖4）[12]，發(fā)現(xiàn)覆巖內(nèi)部均出現(xiàn)了不同程度的超前工作面變形破壞現(xiàn)象，采場覆巖的變形破壞呈現(xiàn)出“階段性臺階躍升”特征。關(guān)鍵層在巖層運動中起主導(dǎo)作用，井下的周期來壓與關(guān)鍵層的階段性破斷呈現(xiàn)出良好的對應(yīng)性。

圖4 同忻煤礦測點布置及巖移監(jiān)測結(jié)果Fig. 4 The arrangement of measurement points and overburden movement monitoring results of Tongxin Coal Mine

這些成果為特厚煤層綜放開采覆巖關(guān)鍵層破斷運動規(guī)律研究提供了新的手段，揭示了特厚煤層開采充分采動條件下關(guān)鍵層破斷運動對采場礦壓顯現(xiàn)的作用機制，有助于制定相應(yīng)的頂板控制對策，降低強礦壓災(zāi)害對礦井安全生產(chǎn)的影響。

3.3 深部開采覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測

高家堡煤礦位于陜西省咸陽市長武縣，是一座設(shè)計生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a的新建現(xiàn)代化礦井。在礦井開采過程中，盤區(qū)煤層大巷多次發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。該礦大部分可采煤層埋深為800～1 000 m，最大埋深為1 076 m。通過對該礦地質(zhì)條件調(diào)查，發(fā)現(xiàn)上覆巖層存在厚度達200 m以上的洛河組砂巖關(guān)鍵層，推測這一厚硬砂巖關(guān)鍵層是引發(fā)沖擊地壓事件的主要原因。

為了分析覆巖移動對采場礦壓的影響，于2020年11月完成了ZY1巖移監(jiān)測系統(tǒng)與GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的安裝工作，最大巖層監(jiān)測深度達-930 m（圖5）。待205 工作面回采結(jié)束后，實測ZY1 孔口地表最大下沉量約為 880 mm。205工作面采高約為10 m，下沉系數(shù)僅為0.088。綜合ZY1孔內(nèi)部巖移及微震監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，洛河組巨厚砂巖關(guān)鍵層厚度大且長期懸而未斷，致使煤柱區(qū)域高應(yīng)力集中，超過煤巖體強度極限，這是誘發(fā)該礦一、二盤區(qū)之間煤層大巷發(fā)生沖擊地壓事件的主要原因。

圖5 高家堡煤礦測點布置及巖移監(jiān)測結(jié)果Fig. 5 The arrangement of measurement points and overburden movement monitoring results of Gaojiabao Coal Mine

高家堡煤礦深部開采覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測工作表明，通過引入先進的巖移監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效地監(jiān)測礦井開采過程中的巖層變化，及時預(yù)警沖擊地壓事件的發(fā)生，并采取針對性的巖層控制措施，有效降低沖擊地壓顯現(xiàn)強度，保障礦井安全生產(chǎn)。

4 礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)發(fā)展展望

礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)已取得長足發(fā)展，工程應(yīng)用效果顯著，有效指導(dǎo)了煤炭安全開采工程實踐。但科學(xué)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新永無止境，未來該技術(shù)仍將在精確化、智能化和集成化3個方面持續(xù)革新并長效發(fā)展。

4.1 精確化

位移監(jiān)測設(shè)備的精度在各種關(guān)鍵的科學(xué)和工程領(lǐng)域都具有重要意義。位移監(jiān)測方法的進步與技術(shù)進步密切相關(guān)，從傳統(tǒng)的機械設(shè)備（如彈簧、齒輪、管子等），到高度專業(yè)化、使用光電感應(yīng)現(xiàn)象的電阻率、光電（激光）、壓電（壓電晶體）監(jiān)測設(shè)備，傳感器和數(shù)據(jù)記錄方法不斷更新[43]。據(jù)報道，目前國際上使用的光纖傳感器系統(tǒng)在90.7 mm的位移范圍內(nèi)實現(xiàn)了高達5 nm的分辨率[44]。

因此，礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)需要利用尖端技術(shù)提高傳感器的靈敏度、測量速度和數(shù)據(jù)分辨率，進一步提高監(jiān)測精度，并對不同觀測點監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的響應(yīng)規(guī)律及關(guān)聯(lián)特征進行對比分析。同時，為了提高監(jiān)測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在傳感器鋪設(shè)前需要仔細(xì)考慮并調(diào)整所處環(huán)境，比如安裝位置的選擇與調(diào)整、復(fù)雜鉆孔條件下的精準(zhǔn)安裝等。

早在1987年，錢鳴高院士根據(jù)大量的采場礦壓監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，基本頂斷裂前后在工作面前方的煤體存在回彈現(xiàn)象，但受觀測手段的限制，未能測到具體數(shù)據(jù)[45]。直到 2019 年，在元寶灣煤礦近距離煤層開采實踐中捕捉到煤柱失穩(wěn)前后的“回彈上升”和“失穩(wěn)下沉”現(xiàn)象[18]。捕捉到這一現(xiàn)象的原因有2個方面：一方面源于高頻率及高精度巖移監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用；另一方面是克服了頂板遺留房采空區(qū)對監(jiān)測設(shè)備安裝的影響，將多個測點直接布置到煤柱頂板。測點監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，測點10-1在5 s內(nèi)由1.68 mm抬升到13.99 mm，抬升量達12.31 mm。抬升后迅速下沉，下沉量巨大，達到738.94 mm[18]。

圖6 測點位移抬升監(jiān)測Fig. 6 Measurement point displacement lift monitoring

4.2 智能化

近年來，智能化技術(shù)逐步被引入并開始應(yīng)用到煤炭生產(chǎn)中[9,46]。2007年以來，我國智能化開采技術(shù)得到快速發(fā)展，建立了一批中厚和較薄煤層智能化開采示范工程[47]。但在煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域，我國煤礦頂板災(zāi)害智能預(yù)警及診斷水平仍亟待提高[48]。

煤礦災(zāi)害的智能預(yù)報技術(shù)涵蓋了瓦斯[49-50]、火災(zāi)[51]、水害[52]、頂板[53]、粉塵[54]5個方面。在我國，采場災(zāi)害智能預(yù)報主要集中在沖擊地壓災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測及智能分析[55-56]、地表沉陷及裂縫智能識別[41]、采場圍巖控制及智能開采[47,57]等方面，主要監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)包括微震、支架壓力、圍巖變形等。國際上，一些專家以頂板垮落、采動應(yīng)力、離層及煤柱失穩(wěn)作為評價分項，開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦地層監(jiān)測智能預(yù)測系統(tǒng)[58-59]。然而，這些研究均未涉及采場直至地表的整個覆巖所有巖層整體運動的智能化分析。

實現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害的監(jiān)測智能化，需要在以下2個方面取得技術(shù)突破。

1） 工作面全生命周期災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)。為了實現(xiàn)工作面災(zāi)害智能預(yù)警，需要對工作面回采實現(xiàn)從開始到結(jié)束的全過程監(jiān)測，并且采用高精度傳感器、監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)，實時、準(zhǔn)確地獲取覆巖內(nèi)部巖層移動、裂隙擴展、地下水位變化等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。同時，借助無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)礦山監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸，確保監(jiān)測信息的實時性和可靠性。目前基于全柱狀思想的覆巖內(nèi)部巖移多維實時協(xié)同監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)從地表到井下的地表沉陷、巖層移動及采場礦壓多組數(shù)據(jù)協(xié)同監(jiān)測。通過無人監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了工作面全生命周期監(jiān)測。高家堡煤礦最大監(jiān)測深度為-930 m，監(jiān)測時間從2020年11月27日開始，到2022年5月4日結(jié)束，總計監(jiān)測828 d。

2） 礦山災(zāi)害智能化數(shù)據(jù)分析與預(yù)測技術(shù)。礦山災(zāi)害智能預(yù)警的關(guān)鍵在于對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學(xué)高效分析并進行精準(zhǔn)預(yù)測。這需要發(fā)展和應(yīng)用人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和機器學(xué)習(xí)算法，從海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取特征、挖掘規(guī)律，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立預(yù)測模型?；趯崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)測模型的快速更新，并與人工智能技術(shù)深度融合，實現(xiàn)災(zāi)害類型的自主診斷學(xué)習(xí)與智能分析，并同步進行災(zāi)害危險程度量化預(yù)警，提高礦山災(zāi)害類型及其危險程度預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性，據(jù)此可及時發(fā)現(xiàn)潛在的礦山災(zāi)害風(fēng)險，為礦山管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。

智能化技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域具有巨大的潛力。通過實現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測智能化，可以降低礦山災(zāi)害風(fēng)險，提高礦山安全生產(chǎn)水平。要達到這一目標(biāo)，需要在礦山災(zāi)害智能化數(shù)據(jù)分析與預(yù)測技術(shù)方面取得突破。在這方面，國內(nèi)的研究和實踐已經(jīng)取得了一定的成果，但仍有很多工作需要繼續(xù)提升。

4.3 集成化

實現(xiàn)科學(xué)采礦的關(guān)鍵在于將采礦工程中的各個科學(xué)問題相互聯(lián)系起來[9,60]，針對某一定量指標(biāo)進行簡單分析很難滿足煤炭行業(yè)發(fā)展的需求。錢鳴高院士于1996年在砌體梁結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，提出了巖層控制中的關(guān)鍵層理論[32]，強調(diào)從覆巖運動的整體層面來研究采場礦壓、巖層運動與地表沉陷[7]。

目前我國已實現(xiàn)包括覆巖內(nèi)部巖移、沉陷、采場礦壓和采空區(qū)壓力多維數(shù)據(jù)的實時協(xié)同監(jiān)測[6,12,15]，并借助無線通信技術(shù)將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡(luò)，但還沒有實現(xiàn)對覆巖內(nèi)部巖移和流體滲流的協(xié)同監(jiān)測。

國際上，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）實現(xiàn)了對深部巖體應(yīng)力、變形和孔隙水壓力的聯(lián)合監(jiān)測[61-62]。盡管我國在保水采煤及水害防治[60,63-64]領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，但若能將采動巖體破裂與流體流動融入到多維協(xié)同監(jiān)測中，采動巖層斷裂與水害的協(xié)同治理、采動裂隙封堵及流體人工導(dǎo)流減災(zāi)的研究勢必大受裨益。

未來我國煤礦企業(yè)及科研機構(gòu)仍需加大對礦山安全相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)投入，提升現(xiàn)有技術(shù)水平，努力實現(xiàn)覆巖內(nèi)部巖移和流體滲流的協(xié)同監(jiān)測；加強不同學(xué)科之間的交流與合作，共同研究礦壓、流體滲流與地表沉陷等問題，以期實現(xiàn)有機統(tǒng)一。

通過精確化、智能化和集成化的發(fā)展，礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)將更好地應(yīng)對礦山安全生產(chǎn)和資源高效利用的挑戰(zhàn)，為礦業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。

5 結(jié)論

1） 礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)作為一種新型智能感知技術(shù)，其優(yōu)異性能及潛力在煤礦行業(yè)引起廣泛關(guān)注。該技術(shù)具有耐久性好、靈敏度高、精度高和分布式監(jiān)測等優(yōu)點，且可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測，在煤礦工程中得到大量的應(yīng)用。

2） 在采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了多維數(shù)據(jù)聯(lián)合實時監(jiān)測體系，包括實時地表沉陷監(jiān)測系統(tǒng)、采場礦壓監(jiān)測系統(tǒng)和采空區(qū)壓力監(jiān)測系統(tǒng)。該體系可以幫助煤炭生產(chǎn)企業(yè)全面了解巖層運移情況，為煤礦安全生產(chǎn)和資源利用提供有力支持。

3） 采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)已在我國神東、大同等數(shù)十個礦區(qū)應(yīng)用。這些成果有力驗證了砌體梁理論、關(guān)鍵層理論對采動巖體運動的相關(guān)預(yù)測，為煤礦企業(yè)提供了災(zāi)害預(yù)測方法；不斷推進礦山壓力與巖層移動理論的深入發(fā)展，并持續(xù)擴大其適用范圍。

4） 未來，礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)將朝著精確化、智能化和集成化的方向發(fā)展，以更好地應(yīng)對礦山安全生產(chǎn)和資源利用效率的挑戰(zhàn)。通過優(yōu)化傳感器性能和布置方案等提高監(jiān)測精度和準(zhǔn)確性；利用人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)自動化分析和預(yù)測，提高信息處理效率；將原位監(jiān)測技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，形成完整的監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足礦山內(nèi)部巖移監(jiān)測的需求。

5） 礦山采動覆巖內(nèi)部巖移原位監(jiān)測技術(shù)為監(jiān)測礦山采動覆巖內(nèi)部巖移過程提供了重要手段，有助于發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。通過對地表、覆巖內(nèi)部及采場應(yīng)力的聯(lián)合實時監(jiān)測，能夠迅速發(fā)現(xiàn)采動覆巖運動及載荷傳遞的異常，為煤礦頂板災(zāi)害防治提供重要參考。隨著煤炭資源轉(zhuǎn)入深部開采，地質(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，災(zāi)害事故多樣，該技術(shù)將有更為廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。